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盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力的原理

1、前言:
    通常講,一個(gè)物體,在沒有外力和外力矩作用、溫度達(dá)到平衡、相變已經(jīng)終止的條件下,其內(nèi)部仍然存在并自身保持平衡的應(yīng)力叫做內(nèi)應(yīng)力。
    按照德國學(xué)者馬赫勞赫提出的分類方法,內(nèi)應(yīng)力分為三類:
     *Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力是存在于材料的較大區(qū)域(很多晶粒)內(nèi),并在整個(gè)物體各個(gè)截面保持平衡的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)一個(gè)物體的*Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力平衡和內(nèi)力矩平衡被破壞時(shí),物體會(huì)產(chǎn)生宏觀的尺寸變化。
     *Ⅱ類內(nèi)應(yīng)力是存在于較小范圍(一個(gè)晶?;蚓Я?nèi)部的區(qū)域)的內(nèi)應(yīng)力。
     *Ⅲ類內(nèi)應(yīng)力是存在于*小范圍(幾個(gè)原子間距)的內(nèi)應(yīng)力。
     在工程上通常所說的殘余應(yīng)力就是*Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力。到目前為止,*Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力的測(cè)量技術(shù)*為完善,它們對(duì)材料性能和構(gòu)件質(zhì)量的影響也研究得*為透徹。
     除了這樣的分類方法以外,工程界也習(xí)慣于按產(chǎn)生殘余應(yīng)力的工藝過程來歸類和命名,例如鑄造應(yīng)力、焊接應(yīng)力、熱處理應(yīng)力、磨削應(yīng)力、噴丸應(yīng)力等等,而且一般指的都是*Ⅰ類內(nèi)應(yīng)力。
2、鉆盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力的原理
      目前在焊接件和鑄件上應(yīng)用的較多的殘余應(yīng)力測(cè)量方法是盲孔法,盲孔法就是在工件上鉆一小通孔或不通孔,使被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力得到釋放,并由事先貼在孔周位的應(yīng)變計(jì)測(cè)得釋放的應(yīng)變量,再根據(jù)彈性力學(xué)原理計(jì)算出殘余應(yīng)力來。鉆孔的直徑和深度都不大,是一種微創(chuàng)檢測(cè)方法,不會(huì)影響被測(cè)構(gòu)件的正常使用。并且這種方法具有較高的精度,因此它已成為應(yīng)用比較廣泛的方法。
     當(dāng)殘余應(yīng)力沿厚度方向的分布比較均勻時(shí),可采用一次鉆孔法測(cè)量殘余應(yīng)力的量值。
在有殘余應(yīng)力的焊接鋼板上鉆一小孔,因小孔附近的殘余應(yīng)力被釋放,孔區(qū)附近的殘余應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化。只要測(cè)出該局部區(qū)域的應(yīng)變變化量,即可計(jì)算出板上鉆孔處釋放前的殘余應(yīng)力值σ1 、σ2:


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TJ120-1.5-φ1.5應(yīng)變花在普通鋼材上的釋放系數(shù),為:

A=-0.0725±10%(2 倍標(biāo)準(zhǔn)差)

B=-0.15140±6%(2 倍標(biāo)準(zhǔn)差)

     需要說明的是,釋放系數(shù)A、B與應(yīng)變花的幾何尺寸、孔徑、孔深及材料的彈性模量E及泊松比μ有關(guān),應(yīng)用時(shí)須對(duì)每種被測(cè)材料進(jìn)行標(biāo)定,A、B系數(shù)不能通用
     被測(cè)點(diǎn)鉆一小孔只能使殘余應(yīng)力局部釋放,因此應(yīng)變計(jì)所測(cè)出的釋放應(yīng)變值很小,須采用高精度的應(yīng)變計(jì)。為了不斷提高測(cè)量精度,還須十分注意產(chǎn)生誤差的各種因素,其中*主要的是鉆孔設(shè)備的精度和鉆孔技術(shù),還有應(yīng)變測(cè)試誤差。一般來說鉆孔深度 h≥2a 即可。
3、殘余應(yīng)力檢測(cè)儀器
       殘余應(yīng)力檢測(cè)儀器的實(shí)質(zhì)是電阻應(yīng)變儀。殘余應(yīng)力檢測(cè)儀是利用應(yīng)變片直接測(cè)量殘余應(yīng)力的專用儀器,在科研和工業(yè)生產(chǎn)中常常需要研究機(jī)械設(shè)備構(gòu)件或組件應(yīng)力的狀況,測(cè)量構(gòu)件形變時(shí)應(yīng)變力,如高壓容器(高壓氣瓶、高壓鍋爐),生產(chǎn)過程中須采用應(yīng)變測(cè)量方法檢測(cè)耐壓和變形時(shí)壓力;火炮生產(chǎn)需了解火炮發(fā)射時(shí)炮管形變,飛機(jī)導(dǎo)彈研制時(shí)要在特殊的“風(fēng)洞”實(shí)驗(yàn)場(chǎng)中模擬高空狀態(tài)下飛行時(shí)機(jī)身、機(jī)翼等各部件的形變情況;汽車制造需測(cè)試汽車底盤承壓時(shí)的形變。
應(yīng)變儀原理框圖

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        殘余應(yīng)力檢測(cè)儀是三路應(yīng)變測(cè)量電橋組成的,內(nèi)置高速CPU,對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算,能根據(jù)不同材料輸入不同常數(shù),直接計(jì)算和顯示殘余應(yīng)力大小和角度。測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性取決于檢測(cè)儀的電橋的精度,放大器的溫飄,濾波器的精度。
4、應(yīng)變片溫度誤差及補(bǔ)償
      應(yīng)變片安裝在自由膨脹的試件上,如果環(huán)境溫度變化,應(yīng)變片的電阻也會(huì)變化,這種變化疊加在測(cè)量結(jié)果中稱應(yīng)變片溫度誤差。


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       應(yīng)變片溫度誤差來源有兩個(gè):應(yīng)變片本身電阻溫度系數(shù)αt影響和試件材料的線膨脹系數(shù)βg影響。溫度補(bǔ)償方法:電橋線路補(bǔ)償、自補(bǔ)償、輔助測(cè)量補(bǔ)償、熱敏電阻補(bǔ)償、計(jì)算機(jī)補(bǔ)償。通常采用線路補(bǔ)償:在被測(cè)上安裝一個(gè)應(yīng)變片,在另一個(gè)與被測(cè)試件上安裝一個(gè)補(bǔ)償片,并完全處于相同的溫度場(chǎng),測(cè)量時(shí)位于相鄰的電橋臂上,溫度變化時(shí)ΔR1與ΔRB相等變化,使電橋輸出U0與溫度無關(guān)。
5、鉆孔設(shè)備及鉆孔要求
    (1).鉆孔設(shè)備的結(jié)構(gòu)應(yīng)該簡(jiǎn)單,便于攜帶,易于固定在構(gòu)件上,同時(shí)要求對(duì)中方便,鉆孔深度易于控制,并能適應(yīng)在各種曲面上工作。圖3.10為小孔鉆的結(jié)構(gòu)圖,這種鉆具能較好地實(shí)現(xiàn)上述要求,借助4個(gè)可調(diào)節(jié)X、Y方向的位置和上、下位置,以保持鉆孔垂直于工件表面,用萬向節(jié)與可調(diào)速手電鉆連接施行鉆孔。


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    (2).鉆孔的技術(shù)要求:
       ①被測(cè)表面的處理要符合應(yīng)變測(cè)量的技術(shù)要求,直角應(yīng)變片應(yīng)用502膠水準(zhǔn)確地粘貼在測(cè)點(diǎn)位置上,并用膠帶覆蓋好絲柵,防止鐵屑破壞絲柵。
      ②鉆孔時(shí)要確定鉆桿與測(cè)量表面垂直,鉆孔*心偏差應(yīng)控制在±0.025 mm以內(nèi)。
      ③鉆孔時(shí)要穩(wěn),機(jī)座不能抖動(dòng)。鉆孔速度要低,鉆孔速度快易導(dǎo)致應(yīng)變片的溫度漂移,孔周切削應(yīng)變*大使測(cè)量不穩(wěn)定。為消除切削應(yīng)變的影響,可先采用小鉆頭鉆孔然后再用銑刀洗孔。

如果無法使用小孔鉆,可以使用噴沙打孔法打一盲孔,噴沙打孔的方法就是利用壓縮空氣帶動(dòng)Al2O3或SiO2粉末,通過回轉(zhuǎn)的噴嘴對(duì)準(zhǔn)應(yīng)變花*心打孔標(biāo)志,噴吹表面而得一盲孔。這種方法實(shí)際上是一種磨削過程,其產(chǎn)生的熱量由氣流冷卻,加之切削量很小,因此打孔時(shí)引起的附加應(yīng)力較小,噴沙打孔法的測(cè)量精度較高。

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